（通信与信息系统专业论文）高压电力线路相位无线检测装置的研究和设计.pdf

摘要 同频正弦信号间相位差的测量在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、 电子学等许多领域都有着广泛的应用。目前国内的相位检测绝大多数采用有线方 式。这种方法对于高压线路进行相位检测时，要求两个装置同时与两根导线接触， 这样使用起来很不方便，更重要的是高压具有一定的危险性。为此，本课题提出 了一种基于f p g a 的采用无线方式对高压线路上的相位进行检测的方法，利用 f p g a 的高速、可编程的特点，结合无线传输理论及电磁兼容原则，最终形成了 一套实用、可靠、低成本、精度高的无线相位检测装置。 本课题是常州市科技攻关项目和河海大学常州校区科技创新资助项目。 本课题的主要内容包括： 1 对现有的相位检测方法进行了研究与分析，选择了一种最适宜于本课题 的检测方法 2 对现有的数字调制方法进行了研究与分析，选择了种最适宜于本课题 的调制方式 3 从理论上研究了无线相位检测装置发送装置的可行性，并设计了具体的 结构框图以及原理电路。 4 ，利用f p g a 设计了无线相位检测装罨接收装置的原理电路。 5 介绍了无线相位检测装置所依赖的软、硬件调试环境，并对调试中出现 的几个关键问题进行了深入地研究。 最后，对系统进行了分析评价，并对无线检测技术在作出了进一步展望。 关键字：无线相位检测、发送装置、接收装置、数字凋制、f p g a a b s t r a c t t h ep h a s e d e t e c t i n gb e t w e e nt w os i n es i g n a l sw i t ht h es a m ef r e q u e n c yh a s e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n s i n m a n ys u b j e c t s s u c ha sp o w e rs y s t e m 、i n d u s t r i a l a u t o m a t i o n 、i n t e l l i g e n c ec o n t r o l c o m m u n i c a t i o n 、e l e c t r o n i c sa n d s oo n a t p r e s e n t , m a n yp h a s e - d e t e c t i n gm e t h o d sc o n t a i nw i r ei no u rc o u n t r y t h e yr e q u i r et h e t w od e v i c e ss h o u l da t t a c ht ot h ew i r e s oi tm a k e sp h a s e - d e t e c t i n gf o rh i g hv o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n e si n c o n v e n i e n ta n de v e nd a n g e r o u s t h e r e f o r e , t h i sp r o j e c tp r e s e n t s an e wm e t h o dt h a tc a nd e t e c tt h ep h a s eo fh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e sw i r e l e s s b a s e do nf p g a i tm a k e su s eo ff p g a sh i g h s p e e d n e s s 、p m g r a m m a b l i l i t ya n d a b i d e sb yt h er u l e so fe m c f i n a l l y , i tm a k e su pap r a c t i c a l 、s e c u r e 、l o w - c o s t 、 h i g h - p r e c i s i o na n dw i r e l e s sp h a s e - d e t e c t i n gd e v i c e t h i sp r o j e c ti st h et a c k l ek e yp r o b l e mo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h a n g z h o u a n dt h e s c i e n c e - t e c h n o l o g y - i n n o v a t i o n s u s t e n t a t i o n p r o j e c t o fh o h a i u n i v e r s i t y , c h a n g z h o uc a m p u s t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e rl i s t sa sf o l l o w i n g ： 1 r e s e a r c h a n a l y z eo nt h ee x i s t i n gp h a s e - d e t e c t i n gm e t h o d sa n dc h o o s ea o p t i m a lo n e 2 r e s e a r c h a n a l y z eo nt h ee x i s t i n gd i 百t a lm o d u l a t em e t h o d sa n dc h o o s ea o p t i m a lo n e 3 p r o v et h ep r o j e c t sf e a s i b i l i t yf r o mt h e o r ya n dd e s i g nac o n c r e t es t r u c t u r ea n d t h es c h e m a t i cc i r c u i t so f t h et r a n s m i t t e ro f p h a s e d e t e c t i n gd e v i c e 4 d e s i g nt h es c h e m a t i cc i r c u i t so f t h er e c e i v e ro f p h a s e d e t e c t i n gd e v i c eb a s e d o n f p g a 5 ，i n t r o d u c et h ed e b u g g i n ge n v i r o n m e n t so ft h ew i r e l e s s p h a s e d e t e c t i n g d e v i c ea n dh a v eat h o r o u g hr e s e a r c h0 nt h ep r o b l e m st h a ta p p e a r e dd u r i n g t h ed e b u g g i n gp r o c e s s a t l a s t ，t h ep a p e ra p p r a i s et h es y s t e m a n dm a k eap r o s p e c to fw i r e l e s s p h a s e d e l e t i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：w i r e l e a sp h a s e d e t e c t i n g 、t r a n s m i t t e r 、r e c e i v e r 、d i g i t a lm o d u l a t e 、f p g a 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：二叁毯口锌乡月2 d e l 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) 工】敏汐口占年j 月抄日 河海大学1 = 学硕士学位论文第章概述 1 1 引言 第1 章概述 相位与频率是工频交流信号的两个重要参数。同频正弦信号间相位差的测量 在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、电子、地球物理勘探等许多领域都 有着广泛的应用，如网络模型辩识、特性测试、故障诊断、电网的功率因素测量 和电机功角测试、介质材料损耗角的确定等。同时在电力系统监控中，常常需要 监视功率因数c o s 中、有功功率p 、无功功率q 、用电量等，而这些量都是直接 与交流电的电压与电流的相位差角( b 有关。特别是本文中将提到的电力系统中电 网并网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位严格相同，这时需要精确测量两 列工频信号之间的相位差，由此可以看出相位差测量的重要性。 在某些特殊情况下，高、低压电力线路则更需要进行相位和相位差的检测。 比如，测量三相电的不平衡度的检测需要测量三相线路电压的相位差、避雷器阻 性电流的检测需要测量电压和总电流的相位差。尤其是在高压电力系统中新发电 站并网，新变电站投产前，输变电工程扩建、改造或主设备大修后，竣工投运现 场经常要做核相试验，即所谓的定相，包括核对相序和核对相位，即需要测量并 网的两电网对应两相的相位差，以防止由于相序或相位不正确而造成短路，对电 网构成冲击，给用户带来不必要的麻烦，造成设备损坏等。 1 2 课题来源 本课题是常州市科技攻关项目和河海大学常州校区科技创新基金资助项目。 项目要求解决高压相位采用无线方式检测问题，并为今后高压线路的检测提供一 种简便、安全、可靠的方法。 1 。3 国内外有线无线相位检测( 核相) 现状n 儿2 3 目前国内对于高压电力线路的相位检测绝大多数采用有线方式，为了测量两 条线路的相位差，通常使用较长的拖线同时与被测点接触，通过相应的比较电路 河海人学工学硕士学位论文 第一章概述 实现相位的检测。现场投运核相试验证明：利用架空线路本身宣接核相的方法是 有效可靠的，可避免投运当天因核相不一致而陷入被动的局面。丽利用单相电压 互感器直接核相的方法是种传统的、用绝缘棒和电压互感器定相的方法。( 但 发生铁磁谐振的可能性较高，危险性较高) 。使用的器材主要有：绝缘棒两根、 绝缘鞋两双、试验导线适量、电压表一块。接线如图1 1 所示。高压核相工作需 要四人进行，一人担任指挥，两人穿绝缘鞋、戴绝缘手套担任核相员，一人读表 记录。核相工作根据指挥人员的命令进行，高压操作员将高压引线固定在绝缘棒 上，长短适宜，用绝缘棒引高压线接触高压电源点时，动作协调，两入相互照应。 要求在整个过程中，认真仔细，不出差错，使用正确的方法和步骤，结合现场的 设备特点进行准确的判断。 44 _ o a 一 b o 一丑 图1 1 单相电压互感器直接核相接线图 这种方法存在的问题是对于高压线路，尤其是对高压架空线路进行相位检测 时，要求两个装置同时与两根导线接触，采用有线方式拖线很长使用起来很不方 便，更重要的是高压具有一定的危险性。在一定的高压作用下，如果遇到适当的 气候( 如空气湿度、温度等) 便会产生电弧，会对人体、设备等构成严重的伤害。 目前国外和国内部分厂家已经开发出无线核相装置并已经投入市场，但价格较 高。采用无线相位检测装置，不仅使装置本身变得轻便、易用，更重要的是无线 传输能使操作人员和高压线本身隔离相当长的一段距离，大大提高了相位检测的 安全系数，有效地保护了操作人员的人身安全。可见目前进行高压电力线路相位 无线检测方法的研究和推广是很具有实际意义的。 1 4 有线相位检测( 核相) 的方法简介 有线相位检测( 核相) 一般是通过测量( 直接或间接) 待并系统同名相电压差 町海大学工学硕士学位论文 第一章概述 值和非阿名相电压差值的方法来进行的。两个待并系统相序、相位一致的判据则 因输变电工程的现场特点，如变电站的主接线形式、变压器的接线组别、电压互 感器二次接线方式以及具体的核相方法而有所区别。这里只简单介绍几种典型的 核相方法。相位检测( 核相) 方法分直接相位检测( 核相) 和间接相位检测( 核相) 两种。 1 4 1 直接相位检测( 核相) 直接相位检测( 核相) 又因测量时所用的测量器具不同分为如下几种： 1 ) 电压表( 万用表) 直接核相。适用于低压测为3 8 0 2 2 0 v 中性点直接接地 的变压器核相，或电压互感器二次核相。 2 ) 高压静电电压表直接核相。适用于一切高压变压器的核相。 3 ) 高压电阻定相杆直接核相。适用于一切高压变压器的核相。目前广泛使 用的f p d ) 型电阻定相秆，其额定电压为3 一ii o k v 。 4 ) i 临时单相电压互感器直接核相。大多用于i o k v 及以下的变压器核相。 1 4 2 间接相位检测( 核相) 间接核相适用于一切高压系统。核相时通过母线上的电压互感器进行。间接 核相分为两大步骤，即自核相和互核相。并用同期装置复查。 1 ) 自核相的步骤 所谓自核相就是用于间接核相的两组电压互感器t v l 、t v 2 的高压侧都接在 同一个电源上，然后测量州1 、t v 2 二次侧同名端子、同名端子和非同名端予的 电压差值，如果测量结果符合“特定”的关系，则证明t v l 、t v 2 的接线一致且 正确。 2 ) 互核相的步骤 在确认用来互核相的t v l 、t v 2 的接线一致且j f 确后，将t v l 、t v 2 分别接入 两个待并的电源系统，然后再对t v l 、t v 2 二次侧铡量同名端予、同名端子和非 同名端子的电压差值，如果测量结果符合“特定”的关系，则证明两个待并的电 源系统符合合环( 或并列) 的条件。 河海大学工学硕j 岸位论文第一章概述 1 5 本文的研究内容 为了克服有线相位检测时拖线长、使用不便等弊端，确保安全生产，本文提 出了一种对于高压电力线无线方式的相位检测方法，通过无线方式间接实现对高 压电力线不同相之间的相位检测，重点介绍了一种新型的高压无线相位检测装置 设计，给出了借助于利用f p g a 的相位测量方案，讨论了相位测量和检测的原理 及实现相位无线检测的原理和方法。 本文的研究内容： 1 ) 研究无线传输理论以及相位检测方法； 2 ) 研究高压线路电压信号相位采集方法，并设计了相应电路； 3 ) 设计发送和接收两个装置实现相位的无线采集； 4 ) 研究提高相位采集精度的方法，并进行理论分析； 5 ) 研究解决强磁场抗干扰方法，实现数据的可靠传输 # 口海大学工学硕士学位论文 第二章无线相位检铡装置的总体设计 第2 章无线相位检测装置的总体设计 2 1 相位检测方法的选择 2 1 1 相位检测方法介绍 相位检测装置的总体设计在理论上依赖于相位检测方法的选取。目前相位目 前检测相位的方法很多，大致可分为模拟方法和数字方法两类，模拟方法是将两 路信号过零点时间差转化成电压或者电流，从而计算出频率。采用模拟方法检测 相位，需要一套专用的硬件电路，并且对相差信号的变化不敏感，精度较差。数 字方法是直接用计数脉冲对相位差脉冲进行填充，然后计算计数脉冲个数，再取 平均值求相位，因此，计数脉冲频率越高，测量精度越高。对于硬件有采用各种 电和机械式仪表，利用矢量法、相乘器法二极管鉴别法及取样混频法等，还有利 用计算机组成的测试系统。可以根据具体条件采用不同的方法。下面则根据需要 简单介绍几种常用方法。4 “。 2 1 。2 过零法 过零法原理是通过计算两个或多个同频信号过零时间差，再将时间差转换为 相位差，如图2 1 所示。 图2 1 信号过零法原理图 判断两个信号过零点时刻t 1 与t 2 的时间间隔t ，可以将时间转化为相位 差，信号采样周期为- ，n 为两信号过零点时刻t l 与t 2 悯采样点数，信号周期 为t 。相位差的计算公式为：p = 2 * c a t t = 2 r c r n t 。 河海大学工学硕士学位论文 第二章无线相位检测装置的总体设计 2 1 3 波形变换法 此方法考虑到电网电压由于非线性因素( 如负荷) 丽出现的畸变，对信号需要 进行滤波，以使其采样信号接近正弦波。然后通过波形变换成为矩形波，若将两 个矩形波进行异或处理，则输出脉宽即对应相位差，如图2 2 所示。测出脉冲的 宽度，则可求出对应的相位差。 山车 车斗：! i：! ! 砬h 二j 二； ： j ： m u 2 图2 2 相位检测原理结构图 2 1 4 快速相位检测方法 该检测方法的基本原理是利用正弦波的正半周和负半周的对称性，正弦信号 之间的相位差可以在1 4 信号周期内被检测出来。其中，双极性锯齿波的频率是 正弦信号频率的两倍，中心点对准输入正弦电压信号的零点。通过其幅度对应于 输入正弦电流信号在半周内的过零点的变化可以线性地反应相位变化。并通过采 样保持电路把矩齿波在该点的幅值转换成直流电压输出。 输入正弦电压信号和输入正弦电流信号如图2 3 所示，其表达式为： 河海太学工学颅 学位论文 第二章无线相位检测装置的总体设计 矿1 ( f ) = 矿，l s i n 似) ，v 2 ( f ) = v 。2 s i n 一口) ，- 9 0 0 0 9 0 0 其中，v 。是输入正弦电压信号l 的峰值，v 。：和0 分别是输入正弦电压信号 2 的峰值和相角，为二者的角频率。图2 3 中( b ) 是双极性锯齿波波形。其表 达式为：v ，( r ) = f o t ，v ；。( t + t 2 ) = 。( f ) 且一t 4 t t 4a 其中：是矿，0 ) 的峰值，t 是正弦信号的周期。令： v ：( f 。) = o ，c o t 。= n 万+ 曰则 v s 。( f 。) = ( 2v s 。石矽，这意味着锯齿波对应于输人正弦信号v ：( f ) 的过零点的值 ( p 1 或p 2 ) 是一个直流电平，它正比于电压和电流正弦信号的相位差。由此可见， 依照以上原理可在每半个输入信号周期内测出相差。 y i t t j 7烈 谨( t ) 一 汹 夕1 p 1 p 2 几v , l ( o 。 2 1 5 相关分析法 图2 3 电压信号锯齿波之问的关系 t ( 1 ) w t c b ) 相关法是两同频率正弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差是余弦成正 比的原理得到相位差。由于噪声信号常常与有效信号相关性很小，因此该方法有 很好的噪声抑制能力。 假设有两个被噪声污染的同频率信号x ( t ) ，y ( t ) ，其表达式为： x ( t ) = a s i n ( w t + ) + 帆( f ) y ( f ) = b s i n ( w t + 吼) + n ，( ) 式中：a 、b 表示x ( t ) 、y ( t ) 的幅值，( f ) ，。o ) 表示噪声信号，对x ( t ) 、 y ( t ) 进行如下运算有： 河海大学工学硕士学位论文第二章无线相位检测装置的总体设计 l ( f ) = 专r m ) 巾+ r 渺 = r 【4 ( s i n m 奄 + ) + 技) p s i n ( w 。( f 十f ) + 纸) + ，。+ r ) 】出 当r = o 时： b ( 0 ) = 告r x ( o y o ) d t = r 【彳s i n ( w o f + ) + m ( f ) 】陴s i n ( w o f + 缈) + 虬( f ) 】出 由于噪声和信号几乎不相关，且噪声之闯也不相关，积分后可得： b ( o ) 。譬c 。s ( 伊，一) 舻a s 掣， 其中，彳= 厕口= 厕 实际处理的信号为采样后的离散点序列，相应时离教计算公式为： ，( o ) = 古x ( 甩) y ( 聆) f 、n = 0 j 。( o ) ：古x 2 ( n ) 、n = 0 j ，( o ) = 专y 2 ( 靠) a 月= 0 式中：k 为采样点。通过信号中x ( t ) 、y ( t ) 是自相关与互相关函数的计算， 可纠索得官们的相付荠。 2 1 6 相位检测方法的选择m 恻呻1 根据。 二述对几种相位测量方法的介绍，可以看出。对于快速相位检测方法， 虽然操作简单、测量方便，然而其测量精度在很大程度上依赖于双极性锯齿波波 形的选取。而双极性锯齿波的确定又反过来取决于输入正弦电压信号的峰值。而 由于电网电压上存在着波动，那么实际上这个双极性锯齿波是很不稳定的，这样 将会极大地影响测量的精度，因此快速相位检测方法并不适应于高压电力线路。 而对于楣关分析法，虽然在理论上它是最佳选择，但实际上它的精度直接驭 河海大学工学硕士学位论文第二章无线相位检测装置的总体设计 决于信号的采样点数，这对正弦信号的模数转换提出了很高的要求。而另一方面， 随着采样点数的增加，根据公式 b ( o ) = 专工( 咒) y ( n ) ，i ，( o ) = 专x 2 ( n ) ，1 ，( o ) = 专y 2 ( n ) a = oa 月卸、n 卸 可以看见其算法复杂程度将成平方关系增长。这样，若采样相关分析法，那它的 硬件要求以及软件的设计都将十分的严格，特别是以后如果想要再提高精度的 话，还需要更加严格的硬件和更加复杂的程序，代价十分大。 因此，本文选择了一种波形变换法和过零法相结合的方法。既充分利用到了 f p g a 的快速、现场可编程等特性又同时使得整个设计变得更加简洁、趋于实际。 2 2 高压电力无线相位检测装置的总体构架m 1 2 1 该高压电力无线相位检测装置主要包括两个发送装置和一个接收装置。两个 发送装置装上电极后与被测两相导线相接触( 或接近) ，高压电力线在周围空间 产生强电磁波，根据电磁感应原理，电磁波在发送装置的电极电感线圈上可以感 应出具有和高压相相应相位的电动势，并通过滤波、限幅等电路处理得到此高压 相的相位信号( 理论上近似为方波信号) ，相位信号通过发送模块调制发送( 同 时电极也作为发送装置的发送天线) 。两发送装置的结构原理一样，唯一不同的 是两发送模块选择不同的工作频率。接收装置则通过对应发送模块的两个不同频 率的接收模块，将接收到的两个发送装置的两路信号进行相应处理后得到具体的 相位差值，然后通过液晶模块的显示将结果告知操作人员。总体结构如图2 4 所示，使用时，将发送装置用绝缘杆挂在高压线上( 或接近高压线) ，操作员则 手拿接收装置在离高压线比较安全的较远处即可得知相位检测结果。 河海大学工学硕士学位论文 第一章无线相位检淘 装置的总体设计 a b c i接收装置 图2 4 相位检测装置的总体结构 2 3 高压电力无线相位检测装置具体结构设计 2 3 1 发送装置的结构设计n 3 1 a b c 高压电力无线相位检铡装置发送装置的主要功能是采集高压相位信号，并将 其转换成为方波相位信号，然后再把它经过调制后发送出去，基本结构框图如图 2 5 所示。 图2 5 发送装置基本结构框图 无线相位检测装置正常工作时，将发送装置的电极与高压线路接触( 或接 近) ，那么在电极上就可以耦合出相应的电磁信号，该电磁信号又能在电极电感 线圈上感应出相应电动势。通过限幅、滤波等信号处理，将该信号取出，再分为 两路：其一一送至声光显示电路进行声光显示，让操作员知道装置已经正常：e ：作； 另一送至发送模块进行调制，经过发送模块调制后的信号又送回至电极发送，此 时电极就相当于发送天线。当发送装置正常工作时，通过积分比较电路的输出信 河海大学工学硕士学位论文 第二章无线相位检测装置的总体设计 号来控制声光电路，发出正常工作时的声光指示信号。 2 3 2 接收装置的结构设计 高压无线相位检测装置的接收装置主要负责完成相序和相位检测及结果的 显示等工作，其主要结构框图如图2 6 所示。 图2 6 接收装置基本结构框图 接收模块l 、2 分别负责对应的两个发送器所送出的两路不同信号的接收， 并对所接收到的两路信号进行解调，恢复出原来的被调制信号。解调后的信号送 至f p g a 实现相位检测，并将结果送至液晶模块显示。 河海大学工学硕士学位论文第三章无线检测装置发送装置的没计 第3 章无线检测装置发送装置的设计 本课题的电路设计主要任务分为发送装置和接收装置两部分的电路设计。由 于发送装置中涉及到高压试验部分难以多次在实验室中进行实际实验，并且比较 具有危险性，于是电路设计则利用5 0 h z 的方波振荡器产生5 0 h z 、9 v 的方波模 拟得到的高压相位信号来代替实际信号进行调试。 根据第2 章所提到的发送装置所要求实现的功能及其基本结构原理图分以下 几部分进行具体电路设计。 3 1 高压相相位信号采集、处理电路 由于所预想的检测对象为高压电力线路( 一般为6 k v - - 3 5 k v ) 的高压相位 信号，为了从高压正弦信号中得到能够方便安全检测的低压相位信号。采用了如 图3 1 所示的高压相位信号采集、处理电路“”“”。 直里塾捶邋 图3 1 高压相位信号采集、处理电路 河海大学工学硕士学位论文 第三章无线检测装置发送装置豹设计 高压电力线路电压很高，周围场强也很高。如图3 1 中所示，无线相位检测 装置j e 常工作时，将发送装置的电极与高压单相线路接触( 或接近) ，那么根据 电磁场理论在电极上就可以耦合出具有相应相位关系的工频电磁信号，该电磁信 号又能在电极电感线圈上感应出相应电动势& 。当电极距离高压电力线路为a 时，根据“毕奥萨伐尔定律”计算得出此时电极所处位置的磁感应强度为： b：出。又根据电磁感应定律知道，电动势s，的大小与穿过电感线圈的磁通2x , 4 u 量的变化率譬d t 成正比即= 一警式中“一”号确定了感应电动势的方向。 由于： 矿：b s ：笼 n 为串联电感线圈的匝数，从为真空磁导率，| ，为电感线圈的半径，i 为高压 线的工频电流信号i = 1 c o s ( 6 0 t + 妒) 。 于是得出： 铲堂d t = 一訾罢= 幽2 ；r , 4 硝s 蚴悱土2 x , 4 枷n + 力 捌西 、 可见的大小与高压电力线路电流f 、电感线圈l 的各参数、装置距离高压 电力线路距离a 等有关。 此电动势s ，通过正负1 5 v 稳压管限幅稳压，再经过滤波电路处理得到此高 压相的相位信号，由于原来高压相的电压电流信号均为峰值很高的正弦信号，得 到的较高通过相对较低电压( 正负1 5 v ) 的限幅，即可得到近似的标准方 波信号。 限幅后的信号通过低通滤波电路，再由5 m 的电位器分压得到5 0 h z 、9 v 的 方波相位信号，此信号分为两路，一路送入发送模块准备向接收装置调制发送( 电 极同时也作为发送装置的发送天线) ；另外路送入积分比较电路得到声光电路 河海大学工学硕士学位论文第三苹无线检铡袈置发送装置的设计 和发送模块电路工作需要的控制信号。这是装置在实际使用时要使用的电路部 分，这里选择电容滤波器作为低通滤波器将信号中不需要的高次谐波滤除掉，滤 除高频干扰信号，滤波器的电容要有耐压高、绝缘好、温度系数小和自谐振频率 高等特性( 本电路选择8 2 p f 独石电容) 。 3 25 0 h z 方波发生电路n 6 m 1 由于涉及到高压试验难于在实验室进行多次实际实验，并且具有危险性，本 电路设计利用5 0 h z 的方波发生电路产生5 0 h z 、9 v 的方波模拟得到的高压相位 信号进行调试( 自检) 。由于此电路只是用于装置调试，对方波信号没有什么特 殊的要求，所以这里采用简单方便快捷的门电路组成的多谐振荡器，两个暂稳态 的转换过程是通过电容c 充、放电作用来实现的，同时电路中采取了稳定输出 波形的措施，基本能够满足电路需要。 此模拟相位信号( 5 0 h z 方波) 发生电路( 自检时) 与l 中的实际运用( 相 位采集、处理) 电路通过如图3 2 所示的开关控制。 1 0 4 l 卜“ 接相位采集电路( 电极) - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 0 h z 的方波 图3 2 开关 发送装置实现自检功能时则接5 0 h z 方波振荡电路，当用于高压电力线路进 行实际相位检测时要断开5 0 h z 方波振荡电路。 3 3 积分比较电路 设计此积分比较电路的目的在于通过积分比较输出产生控制信号控制发送 模块工作和声光显示电路的工作，具体积分比较电路设计如图3 3 所示。高压相 相位信号( 方波信号) 通过一个0 ，l 微法的电容积分平波，( 当为方波高电平时， 电容和单向导电的内阻较小的二极管组成充电回路，r d c 时间常数小，充电快； 当方波低电平时，电容和6 m 的电阻组成放电回路，时间常数r c 较大，放电慢， 河海大学工学硕士学位论文 第三章无线硷涮装置发送鼗置的设计 于是便得到一带纹波的近似直流电平) ，再经5 m 的电位器调节分压得到一个合 适的近似直流电平作为比较器a 的输入，当此直流电平高于比较器基准电压 1 1 8 v ( m a x 9 3 3 的基准电压) 时t 比较器a 的输出o u t a 为9 v ( 高1 ，o u t a 输 出信号通过电阻电容( r ( 2 2 6 m ) c ( 2 2 微法) ) 积分电路后又做为比较器b 的输 入。 t 古 图3 3 发送装置的积分比较电路 选择m a x 9 3 3 实现电路的比较器作用，其引脚图如图3 4 所示 图3 4 m a x 9 3 3 引脚图 v r e f 参考电压典型值为1 1 8 v ，其输出的高电平为9 v ，低为0v 。 上电开始o u t b 输出为高( 9 v ) ，( r c ) 积分电路电容经一段时间的充电后 河海大学1 二学硕士学位论文 第三章无线检测装置发送装置的设计 电压逐渐升高，直到高于比较器的基准电鹾1 1 8 v 时，比较器b 的输出o u t b 变为低( ov ) ，即在o u t b 输出点出现一个延时的下降沿。o u t b 输出信号作 为发射模块的控制信号，控制电路如图3 5 所示。 9 v 声光显示 射模块( 控制) 图3 5 发射模块、声光电路控制信号电路 b c 5 5 7 在此起到了开关的作用，当发送装置刚开始上电时( 即o u t b 输出为 高电平( 9 v ) 信号时) ，b c 5 5 7 截止，l m 2 9 3 稳压管输入为0 ，输出为0 ，发送 模块工作控制信号无效；直到o u t b 变为低( o ) 时，( a t 时间后) 6 2 v 稳压管 被击穿，b c 5 5 7 接通，c 极输出为高( 9 v ) ，l m 2 9 3 稳压管输入为高( 9 v ) ，输 出得到5 v 有效电压，发射模块开始工作。而声光显示电路的控制信号j _ l 三与此发 射模块的控制信号相反，当o u t b 输出为高时声光显示电路工作，反之停止工 作而声光显示电路停止工作表示发送模块开始正常工作。 各信号关系如图3 6 所示： o u t a o u t b 厂一 j 9 乎上_ 1 r 1 凸t - 4 发射馕块控镧i 广_ 5 卜 声光控制信号- _ 妒一 图3 6 信号关系图 r c 积分电路时间m 的计算： 根据一阶r c 积分电路的零状态响应计算方法得出 t 1 l = u ( 卜et ) ，t = r c 1 6 河海大学工学硕士学位论文 第三章无线检测装置发送装置的设计 f 于是1 1 8 = 9 ( 1 一矿) ，f = 2 2 6 m x 2 2 旷 于是求出出* 7 s ，也就是说比较器o u t b 输出离电平时间为大约a z7 s 后 变为低电平。 3 4 声光显示电路 图3 7 r c 积分电路 在前文中已经说明当发送装置开始上电时( 即o u t b 输出为高电平( 9 v ) 信号时) ，声光显示电路的控毒4 信号有效，声光显示电路开始工作；到o u t b 变 为低( o ) 时，6 2 v 稳压管被击穿，b c 5 5 7 输出为高，控制信号无效，声光显示 电路停止工作，具体声光显示电路如图3 8 所示。 日v 图3 8 声光显示电路 当控制信号有效时，声光电路开始工作，2 h z 的方波振荡器开始产生2 h z 、 9 v 的方波，其工作原理与5 0 h z 、9 v 方波振荡器相同，只是频率不同。电路开 河海大学工学硕士学位论文 第三章无线检测装置发送装置的设计 始工作时产生2 h z 、9 v 的方波驱动蜂鸣器及四只发光二极管以2 k h z 的频率呜 叫、闪亮，大概a t ( 7 s ) 时间后，o u t b 变为低( o v ) 时，控制信号无效，声 光显示电路停止工作，蜂鸣器及三只串联发光二极管鸣叫、闪亮大概1 0 | 4 次后 停止，只剩下一只发光二极管一直亮，而这只二极管是通过b c 5 5 7 的输出电压 供电的，此时表示发送模块开始j e 常工作。 3 5 发送模块 3 5 1 调制方式的选择1 8 m 9 1 乜町3 2 1 1 用于数据传输的数字调制分为三种基本形式：振幅键控( a s k ) 、频移键控 ( f s k ) 、相移键控( p s k ) ，其它形式由此派生而来。如何选择确定此装置设计中 的调制方式来进行无线数据传输是一个关键问题。下面就对各种调制方式的相关 内容做一个简单的概述并进行相应地比较。 3 5 1 1 数字信号的传输方式 数字信号共有两种传输方式： 1 ) 基带传输：数字信号直接传送的方式( 是将信源发出的信息码经码型变 换及波形形成后直接传送至接收端) 2 ) 频带传输：用数字基带信号调制载波后的传送方式 3 5 1 2 频带传输的载波形式 载波的波形是任意的，但大多数的数字调制系统都选择单频信号( 正弦波或 余弦波) 作为载波，因为便于产生与接收。 3 5 13 数字调制的分类 共有以下三种基本形式： ( 1 ) 振幅键控( a s k ) ；( 2 ) 频移键控( f s k ) ：( 3 ) 相移键控( p s k ) ，其它形 式由此派生而来。也可分为： ( 1 ) 线性调制( 如a s k ) ；( 2 ) 非线性调制( 如f s k ，p s k ) 。 3 5 1 4 二进制数字调制原理 i 二进制振幅键控( 2 a s k ，0 0 k ) i a s k 概念：用二进制的数字信号去调制等幅的载波。即传“1 ”信号时， 河海大学工学硕士学位论文第三章无线检测装置发送装罱的设计 发送载波；传“0 ”信号时，送0 电平。所以也称这种调制为通( o n ) 、 断( o r s ) 键控o o k 。 其实现模型如图3 9 所示。 戴波秀荚蛾毒 或 图3 92 a s k 调制实现模型 i i a s k 信号的时间表达式及仿真波形 a s k 信号的时间表达式： j 艘( f ) = s ( t ) c o s w d = 匹g ( f 一t , ) l c o s w ) f 。 可见2 f s k 的时间表达式为： s 燃。( f ) 2 g ( f 一月五) c o s a y t n 其中： f1概率为p 4 1 1 慨率胡一p 若在某一码元持续时间t s 内观察时。上式可以简写为： 河海大学t 学硕士学位论文第三章无线捡铡装置发送装置的设计 fc o s m e t s p s r ( t ) 2 。 l 1 。8 t 概率为p 概率爽( 1 一乃 或以相反的形式。 问题；绝对相移键控信号只能采用相干接收，而且在相干接收对由于本 地载波的载波相位是不确定的，因此，解调后所得的数字信号的符号也 容易发生颠倒，这种现象称为相位模糊。这是采用绝对相移键控的主要 缺点，因此这种方式在实际中很少采用。 解决方法：在实际应用中使用较多的是相对( 差分) 相移键控( d p s k ) 。 相对( 差分) 相移键控( d p s k ) 1 ) 概念：传“0 ”信号时，载波的起始相位与前一码元载波的起始相位 相同( 即耷= o ) ；传“l ”信号时，载波的起始相位与前一码元载波 的起始相位相差( 即巾= n ) 。2 d p s k 的实现方式如图3 1 7 所示。 其中码变换电路的功能：将绝对码鼠变成相对。具体变换关系如下： 地。a ko 鲰一1 例如： 绝对码 o 0lllool a k ： 相对码00 0l0lll0 b k ： 2 4 河海大学工学硕士学位论文 第三章无线检测装置发送装置的设计 妇) s ( o “ 图3 1 72 d p s k 信号的实现模型 2 ) 2 d p s k 的调常仿真波形 2 d p s k 的调制仿真波形如图3 1 8 所示，即相位每交化一次就出现一个 1 信号。若参考波形的相位与图中相反，则所得到的2 d p s k 波形恰好 与其相反。当然也可以以相反的形式规定，传“l ”时，由= 0 ；传“0 ” 时，中= 。 图3 1 82 d p s k 调制仿真波形 河海夫学工学硕士学位论文第三章无线梭溺装置发送装置的设计 由图3 1 8 可见，对绝对码进行相对调相等价于对相对码进行绝对调相。 通过分析2 p s k 可知，在解调2 d p s k 信号时，只要前后码元的相对相位 关系不被破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。另外，相 对相移键控使接收设备简单化，因此，相对相移键控得到广泛的应用。 相移键控信号的接收 1 ) 2 p s k 信号的相干接收 2 p s k 信号的相干接收框图如图3 1 9 所示。 一卧睁强 本地藏渡 图3 1 92 p s k 信号的相干接收框图 2 ) 2 d p s k 信号的相干接收 2 d p s k 信号的相干接收框图如图3 2 0 所示。 一回电m 匮匿 本蛾裁波 图3 2 02 d p s k 信号的相二f 接收框图 3 ) 2 d p s k 信号的差分相干接收 2 d p s k 信号的差分相干接收框图如图3 2 1 所示。 图3 2 12 d p s k 信号的差分相干接收框图 由于二进制相移键控系统在抗噪声性能及信道利用率等方面比二：迸制频 移键控及二进制振幅键控优越，因而被广泛应用于数字通信中。考虑到 2 p s k 方式有倒现象，故它的改进型2 d p s k 是受到重视的。目前，在 话带内以中速传输数据时，2 d p s k 是c c i t t 建议选用的一种数字调制 方式。 2 6 河海大学工学硕士学位论文 第三章无线检溯装置发送装置的设计 3 5 1 5 调制方式的比较 通过分析二进制数字调制系统的几种主要性能，比如系统的频带宽度、 调制与解调方法以及误码率、敏感性、设备复杂度等，下面针对这几个方面的性 能做一个简单的比较。 i 带宽( 码元宽度为t s 时) 2 a s k 、2 p s k 、2 1 ) p s k 相周，均为2 t s ；而2 f s k 为j 与一片j + 乃蚀) 2 i t s 。 从频带宽度或频带利用率上看，2 p s k 系统最不町取。 i i 误码率 1 ) 对于同一种调制方式，采用相干接收比非相干接收性能好些 2 ) 对于不同的调制方式，p s k 性能最好，f s k 次之，a s k 最差。 i i i 对信遵特性变化的敏感性 判决门限对信道的敏感性，希望判决门限不随信道变化而变。经过比较， 可以得到以下结论：2 f s k 最优；因为不需人为设置判决门限：2 p s k 次之；最佳 判决门限为0 ，与信号幅度无关。2 a s k 最差；最佳判决门限为a 2 ，与信号幅度 有关，因为信道变化，判决门限随着信号幅度的变化而变化，不利于电路设计， 此时需要自适应控制电路。当信道存在严重的衰落时，通常采用非相干接收，因 为这对的接收端不容易得至4 相干解调所需的相干载波。当发射枫有严格的功率限 制时，可考虑采用相干接收。因为在给定的码元传输速率及误码率的条件下，相 干接收所要求的信噪比较非相干接收小。 i v 设备的复杂程度 对于三种方式来说发送端设备的复杂程度不相上下而接收端的复杂程度则 与所选的调制调解方式有关。对于同一种调制方式，相干比非相干解调时的设备 复杂；而同为非相干接收时，2 d p s k 设备最为复杂，2 f s k 次之，2 a s k 最简单。 不言而喻，设备愈复杂，其造价就愈昂贵。 v 应用 上面从几个方面对各种二进制数字调制系统进行了比较。可以看出，在选择 调制和调解方式时，要考虑的因素是比较多的。通常，只有对系统的要求作全面 的考虑，并且抓住其中最主要的要求，才能做出比较恰当的抉择。如果抗噪声性 能是主要的，则应该考虑相干2 p s k 和2 d p s k ，而2 a s k 最不可取；如果带宽是主 潍海大学工学硬士学位论文 第三章无线检蔫装置发送装置的设计 要的要求，则应考虑相干2 p s k 和2 d p s k 及2 a s k ，而2 f s k 最不可取；如果设备 的复杂性是一个必须考虑的重要因素，则非相干方式比相干方式更为适宜。目前 用的最多的数字调制方式是相干2 d p s k 和非相干2 f s k 。相干2 d p s k 主要用以高 速数据传输，而非相干2 f s k 则用于中，低速数据传输中，特别是在衰落信道中 传送数据时，它有着广泛的应用。( 相干2 d p s k ，用于高速数据传输；非相干2 f s k 用于中，低速数据传输) 。 3 516 调制方式的最终选择 如前所述用于数